< Terug naar vorige pagina

Project

Elektrochemisch in-situ gesynthetiseerde DNA probe arrays voor spatial transcriptomics.

In dit proefschrift wordt een nieuwe methode voorgesteld om state-of-the-art CMOS technologie – de basis van al onze hedendaagse elektronica – aan te wenden voor de elektrochemische fabricatie van DNA microarrays met een hoge dichtheid. DNA microarrays zijn een belangrijk hulpmiddel in genomisch onderzoek. Ze maken het mogelijk om duizenden genen tegelijkertijd te analyseren. Een gen is een stukje DNA dat de erfelijke eigenschappen van een organisme bepaalt door de ‘handleiding’ te coderen in een specifieke sequentie van vier bouwstenen – A, C, G en T. Inzicht in de werking van deze genen maakt het mogelijk om ziekten op te sporen, gepersonaliseerde therapieën aan te bieden, misdaden op te lossen en om nieuwe technologieën – ook buiten de medische wereld – te ontwikkelen. 

Een DNA microarray bestaat uit een substraat met honderdduizenden individuele spots, ook wel features genoemd, die elk een grote hoeveelheid DNA fragmenten bevatten met een specifieke sequentie, de probes. Voor de fabricatie van deze microarrays zijn er al verschillende methodes ontwikkeld. Deze maken ofwel gebruik van de immobilisatie van vooraf gesynthetiseerde probes, ofwel worden de probes rechtstreeks op het substraat opgebouwd. De technieken in deze tweede groep (de zogenaamde de novo synthese) kunnen verder onderverdeeld worden in drie categorieën: spotting of microprinting technieken, fotolithografische methoden met behulp van maskers of microspiegels, en elektrochemische technieken met behulp van multi-elektrode chips. 

Nieuwe DNA microarray toepassingen, zoals next-generation data opslag en spatial transcriptomics, vereisen een sterke toename in de dichtheid van de microarray features, of met andere woorden, de hoeveelheid DNA spots per oppervlakte. Om die reden hebben we in dit proefschrift een strategie ontwikkeld om DNA microarrays met een hoge dichtheid te fabriceren door de lithografische resolutie van CMOS technologie te benutten.

De voorgestelde methode is gebaseerd op een tweevoudig gebruik van lithografisch gedefinieerde elektroden. Enerzijds wordt er een elektrochemische reductie uitgevoerd aan de elektroden om een geschikte functionalisatie van het elektrode oppervlak te bekomen. Op deze manier kunnen de gefunctionaliseerde elektroden fungeren als een aanhechtingspunt voor DNA synthese op chip. Anderzijds worden de individueel adresseerbare elektroden gebruikt voor het elektrochemisch induceren van DNA synthese, waardoor de synthese van een specifieke sequentie op elke elektrode mogelijk wordt. Synthese met een hoge dichtheid vereist een nauwkeurige inperking van de elektrochemische reactieproducten in de buurt van de geactiveerde elektroden. Om deze reden werden eindige-elementen simulaties geïmplementeerd die toelaten om verschillende strategieën voor diffusie-inperking van het product te onderzoeken. Als een belangrijke stap richting een finaal CMOS-gebaseerd apparaat werd tenslotte een CMOS test array met schakelmatrix functionaliteit ontwikkeld. 

Het aanwenden van micro-elektronica met een lithografische resolutie voor DNA synthese biedt een uitstekend platform voor de verbetering van de dichtheid van microarrays. Deze verbeteringen zullen bijdragen tot de verdere ontwikkeling van allerlei relevante toepassingen, gaande van synthetische biologie en target verrijking voor next-generation sequencing tot de data opslag van de toekomst.

Datum:1 okt 2013 →  12 mei 2018
Trefwoorden:CMOS addressable electrodes, electrografting, DNA synthesis
Disciplines:Engineering van biomaterialen, Biologische systeemtechnologie, Biomateriaal engineering, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen, Milieu ingenieurswetenschappen en biotechnologie, Industriële biotechnologie, Andere biotechnologie, bio-en biosysteem ingenieurswetenschappen, Nanotechnologie, Ontwerptheorieën en -methoden, Analytische chemie, Fysische chemie
Project type:PhD project